Лактим-лактамная таутомерия.

Этот вид таутомерии характерен для азотсодержащих гетероциклов с фрагментом N=C—ОН.

Взаимопревращение таутомерных форм связано с переносом протона от гидроксильной группы, напоминающей фенольную ОН-группу, к основному центру — пиридиновому атому азота и наоборот. Обычно лактамная форма в равновесии преобладает.

31. Углеводы. Классификация. Моносахариды: определение, номенклатура. Изомерия моносахаридов: структурная (положение функциональной группы, цикло-оксотаутомерия), пространственная (оптическая: D- и L-ряды, антиподы, диастереомеры, аномеры, явление мутаротации; конформационная: С1 формулы α и β-D-глюкопиранозы). Химические свойства: окисление, восстановление. Реакции циклических форм: алкилирование и ацилирование. Отличие свойств гликозидного гидроксила. Сложные эфиры фосфорной кислоты, их биологическое значение. Важнейшие представители моносахаридов – рибоза, ксилоза, дезоксирибоза, глюкоза, фруктоза. Аскорбиновая кислота, синтез из глюкозы и биологическая роль.

Углеводы - кислородсодержащие органические вещества, в которых водород и кислород находятся, как правило, в соотношении 2:1 (как и в молекуле воды). Общая формула большинства углеводов - C_n(H₂O)_m. Но этой общей формуле отвечают и некоторые другие соединения, не являющиеся углеводами, например: C(H₂O) то есть HCHO или C₂(H₂O)₂ то есть CH₃COOH.

В линейных формах молекул углеводов всегда присутствует карбонильная группа (как таковая, или в составе альдегидной группы). И в линейной, и в циклической формах молекул углеводов присутствуют несколько гидроксильных групп. Поэтому углеводы относят к гетерофункциональным соединениям.

Моносахариды – простейшие углеводы, не подвергающиеся гидролизу. Если в линейной форме молекулы моносахарида есть альдегидная группа, то такой углевод относится к альдозам, т. е. представляет собой альдегидоспирт (альдозу), если же карбонильная группа в линейной форме молекулы не связана с атомом водорода, то это кетоноспирт (кетоза) По числу атомов углерода в молекуле моносахариды делятся на триозы (n = 3), тетрозы (n = 4), пентозы (n =5), гексозы (n = 6) и т. д. В природе чаще всего встречаются пентозы и гексозы. Если в линейной форме молекулы гексозы есть альдегидная группа, то такой углевод относится к альдогексозам (например, глюкоза), а если только карбонильная, то - к кетогексозам (например, фруктоза).

Номенклатура моносахаридов

Названия моносахаридов строят в соответствии с их классификацией с окончанием «оза» : альдопентоза, кетогексоза и т. д. Наиболее часто встречающиеся в природе моносахариды имеют тривиальные названия, например, альдопентозы - рибоза, ксилоза, арабиноза, дезоксирибоза; альдогексозы - глюкоза, галактоза; кетогексоза – фруктоза.

По номенклатуре ИЮПАК любая альдопентоза имеет название 2,3,4,5 - тетрогидроксипентаналь; альдогексоза - 2,3,4,5,6 - пентагидроксигексаналь; кетопентоза -1,3,4,5 - тетрагидроксипентанон-2; кетогексоза (фруктоза) - 1,3,4,5,6 - пентагидроксигексанон - 2 и т. д

И ЗОМЕРИЯ СТРУКТУРНАЯ.

Молекулы моносахаридов содержат несколько центров хиральности, что служит причиной существования большого числа стереоизомеров, соответствующих одной и той же структурной формуле.

цикло-цепная таутомерия – обусловлена наличием открытой формы (альдегидной) и циклической формы (полуацетальной), способных самопроизвольно переходить друг в друга с образованием равновесной системы.

ИЗОМЕРИЯ ПРОСТРАНСТВЕННАЯ.

ОПТИЧЕСКАЯ.

Ф ункциональные изомеры различаются и расположением гидроксильных групп, как это видно из сравнения структур глюкозы и галактозы. Такие пространственные изомеры называются диастереомерами. Они различаются физическими и химическими свойствами.

‌‌‌    

оптическая изомерия – обусловлена наличием хиральных центров (ассимитрических атомов углерода). Аль-форма глюкозы содержит 4 ассиметрических атома углерода, следовательно, она может иметь 16 изомеров, т.е. 8 антиподов, отличающихся знаком вращения – D и L ряды. (Т.е. для альдогексоз существует 8 пар энантиомеров)

Для обозначения многочисленных стереоизомеров используют проекционные формулы, предложенные немецким ученым Эмилем Фишером.

В качестве обозначения противоположных конфигураций углеводов с одинаковыми названиями применяются буквы D и L, которые указывают принадлежность к двум рядам, например:

 

В зависимости от расположения гликозидной (полуацетальной) гидроксильной группы относительно усреднённой плоскости кольца возможна дополнительная пара оптических изомеров, называемых аномерами (-аномер и -аномер). Аномеры представляют собой частный случай эпимеров. Принадлежность к - или -форме определяется конфигурацией аномерного атома углерода (для альдоз – это С₁, для кетоз – это, как правило, С₂). В молекуле -аномера относительные конфигурации аномерного атома углерода и последнего асимметрического атома в углеродной цепи совпадают. В молекуле -аномера, наоборот, не совпадают. Или иначе принадлежность к - или -форме в формулах Хеуорса можно определить, сравнивая взаимное положение полуацетального гидроксила и группы атомов, не входящих в цикл (часто это СН₂ОН-группа). Цис-расположение этих групп определяет -форму, транс-расположение  -форму. Например, D-глюкоза существует в следующих пяти формах:

-аномер		-аномер
-аномер		-аномер

Полное название моносахарида включает обозначение конфигурации аномерного атома углерода (- или -) и размера цикла (пиранозный или фуранозный). Например:

,D-глюкопираноза ,D-рибофураноза

  В свежеприготовленных растворах моносахаридов кольчато-цепную таутомерию можно наблюдать по явлению мутаротации. Оно заключается в том, что во время установления равновесия между всеми таутомерными формами, происходит изменение угла вращения плоскости поляризации света. Это изменение объясняется тем, что у каждой таутомерной формы угол вращения плоскости поляризации – свой. После установления равновесия угол поворота становится постоянным.

К ОНФОРМАЦИОННАЯ.

"I - α-D-глюкопираноза; II - β-D-глюкопираноза; III - альдегидо-D-глюкоза."

Химическое свойства моносахаридов определяется присутствием в их молекулах оксогруппы и спиртовых гидроксилов.

Р асмотрим на примере глюкозы некоторые реакции моносахаридов.

1. Восстановление. Все моносахариды, подобно альдегидам и кетонам при восстановлении образуют спирты. При восстановлении гексоз образуются шестиатомный спирты – гекситы. Так, D – глюкоза при это переходит в шестиатомный спирт – D – сорбит:

2. О кисление. В зависимости от характера окислителя могут образовываться одноосновные (альдоновые) или двуосновные (сахарные) гидроксикислоты. Так, при окислении глюкозы образуются:

Альдоновые кислоты вступают в типичный реакции алифатических гидроксикислот. Все моносахариды восстанавливающие сахара. Для них характерные реакция «серебряного зеркала»

4. Реакции алкилирования. Действие алкилирующих агентов на моносахариды, например глюкозу, приводит к образованию неполных и полных простых эфиров. При этом наиболее активно взаимодействует полуацетальный гидроксил. В результате образуется простой эфир – гликозид ( в случае глюкозы – глюкозид). Связь алкила с углеродом (через кислородный мостик) называют гликозидной (гликозидной) связью:

Реакция алкилирования идет в присутствии кислого катализатора (газообразный HCl). Если образовавшийся глюкозид ввести в реакцию с C I и A O, то можно получить пентаметимлюкозу, частичный гидролиз которой приводит к тетраметимлюкозе. При этом в первую очередь отщепляется метильная группа, связанная с кислородом глюкозидного гидроксила:

Полученная после гидролиза тетраметилглюкоза, содержащая свободный полуацетальный гидроксил, может существовать в открытой, альдегидной форме. Глюкозиды часто встречаются в растительном мире.

5. Р еакция ацилирования. В результате таких реакции образуется сложный эфиры. Например, при нагревании уксусного ангидрида с глюкозой образуется пента-О-ацетилглюкоза:

Е сли у альдегидной формы глюкозы все гидроксилы являются одинаковыми спиртовыми гидроксилами, то у циклических форм есть один гидроксил по свойствам резко отличающийся от других - это гидроксил, образовавшийся из альдегидной группы. Он то и носит название “полуацетального” или “гликозидного” гидроксила.

Полуацетальный гидроксил отличается гораздо большей реакционной способностью, чем остальные спиртовые гидроксилы. Поэтому он легко взаимодействует с гидроксильными функциональными группами других соединений с образованием гликозидов:

Эфирноподобная (но не эфирная) связь, возникающая в результате замещения атома водорода в полуацетальном гидроксиле радикалом спирта, называется гликозидной.

Физико-химические свойства гликозидов во многом определяются особенностями этой связи: в отличие от простых эфиров гликозиды довольно устойчивы к воздействию гидроксидов щелочных металлов, но легко гидролизуются с образованием сахара и агликона ферментами и разбавленными кислотами.

Сложные эфиры фосфорной кислоты, их биологическое значение.

К этой же группе соединений относятся различные производные моносахаридов, важнейшими из них являются фосфорные эфиры моносахаридов [ глюкозо-6-фосфат, фруктозо-1,6-бисфосфат, рибозо-5-фосфат и др.], Моносахариды и их производные выполняют, во-первых, энергетическую функцию: окислительное расщепление этих соединений дает организму 55-60 % необходимой ему энергии. Во-вторых, промежуточные продукты распада моносахаридов и их производных используются в клетках для синтеза других необходимых клетке веществ, соединений других классов; из промежуточных продуктов метаболизма глюкозы в клетках могут синтезироваться липиды и заменимые аминокислоты. В третьих, моносахариды и их производные выполняют структурную функцию, являясь мономерными единицами других, более сложных молекул, таких как полисахариды или нуклеотиды.

Рибоза и дезоксирибоза

В природе часто встречаются пентозы. Из них большой инте­рес представляют рибоза и дезоксирибоза, т.к. они содержатся в составе нуклеиновых кислот, осуществляют синтез белков в живых организмах и передачу наследственной информации.

Название «дезоксирибоза» показывает, что по сравнению с рибозой в ее молекуле на одну—ОН группу меньше.

Молекулы рибозы и дезоксирибозы могут иметь как линей­ное, так и циклическое строение:

К СИЛОЗА (древесный сахар) — моносахарид, относящийся к группе пентоз; C₅H₁₀O₅; обнаруживается в моче при пентозурии. При введении человеку per os большая часть К. выделяется с мочой.

Синтез из глюкозы:

По биологическим свойствам является:

1. Антиоксидантная. Витамин С является мощным антиоксидантом, благодаря чему регулирует окислительно-востановительные процессы в организме и предотвращает пагубное воздействие свободных радикалов на компоненты клеточной мембраны и содержимое клеток. Помимо этого аскорбиновая кислота необходима для восстановления других антиоксидантов, таких как витамин Е и витамин А.

2. Дезинтоксикационная. Аскорбиновая кислота обезвреживает множество ядовитых веществ, таких как тяжелые металлы, табачный дым, токсины возбудителей заболеваний и многие другие токсины и яды.

3. Строительная. Витамин С необходим для синтеза коллагена и проколлагена, которые необходимы для формирования соединительной ткани в организме человека.

4. Ферментная и гормональная. Аскорбиновая кислота необходима для синтеза многих ферментов и гормонов, в том числе и адреналин.

5. Аскорбиновая кислота способствует всасыванию железа в желудочно-кишечном тракте, благодаря чему в организме нормально синтезируется гемоглобин.

6. Защитная. Витамин С способствует улучшению иммунитета и противостояния организма различным инфекциям, в том числе и вирусным.

7. Антиатеросклеротическая. Под воздействие аскорбиновой кислоты в организме уменьшается количество вредного холестерина входящего в состав липопротеинов низкой и очень низкой плотности (ЛПНП и ЛПОНП) и увеличивается содержание полезного холестерина входящего в состав липопротеинов высокой плотности (ЛПВП), благодаря чему предотвращается развитие атеросклеротических бляшек на стенках сосудов. Более того, холестерин под воздействием витамина С нормализуется, т.е. уменьшается его количество при избытке и увеличивается при недостатке.

32. Дисахариды. 2 типа дисахаридов (восстанавливающие и не восстанавливающие). Мальтоза, лактоза, целлобиоза, трегалоза, сахароза. Отличие химических свойств восстанавливающих и не восстанавливающих дисахаридов: отношение к реактиву Фелинга, мутаротация. Биологическое значение дисахаридов.

Дисахариды – это сахароподобные сложные углеводы, молеку­лы которых при гидролизе распадаются на две молекулы моносахаридов. Молекулярная формула дисахаридов C₁₂H₂₂O₁₁.

Восстанавливающие дисахариды – это соединения I типа, в которых гликозидная связь образована за счет выделения воды из полуацетального гидроксила одной молекулы моносахарида и спиртовой OH-группы другого.

За счет оставшегося полуацетального гидроксила второго моносахарида сохраняется возможность раскрытия цикла, перехода циклической формы в оксикарбонильную и проявления, таким образом, восстановительных свойств.

Невосстанавливающие дисахариды

Соединения II типа (сахароза) образуются за счет выделения воды при участии полуацетальных гидроксилов обоих моносахаридов. Отсутствие свободной полуацетальной группы свидетельствует об отсутствии восстановительной способности.

Мальтоза(от англ. malt – солод) (солодовый сахар) (4-О-α-D-глюкопиранозил-(1→4)-D-глюкопираноза) состоит из остатков α,D-глюкопиранозы и D-глюкозы. Связь между остатками α(1→4)-гликозидная.

Мальтоза является одним из продуктов гидролитического расщепления пищевого крахмала в желудочно-кишечном тракте человека под действием фермента амилазы.

Л актоза (от лат. lactis – молоко) (b-D-галактопиранозил-(1→4)-D-глюкопираноза) – молочный сахар; состоит из остатков β,D-галактопиранозы и D-глюкозы, связь между остатками β(1→4)-гликозидная.

Лактоза является основным углеводом женского молока. В ходе метаболизма она преобразуется в глюкозу (источник энергии) и галактозу, составную часть гликолипидов, необходимых для развития центральной нервной системы мылыша.

Лактоза способствует поглощению кальция и железа и стимулирует образование кишечных колоний Lactobacillus bifidus.

Л актоза входит в состав фарм. препаратов в качестве дополнительного вещества.

Целлобиоза (b-D-глюкопиранозил-(1→4)-D-глюкопираноза) состоит из остатков β,D-глюкопиранозы и D-глюкозы, связь между остатками β (1→4)-гликозидная.

Целлобиоза – основная структурная единица целлюлозы.

В растворах восстанавливающие дисахариды существуют в виде трех таутомерных форм, взаимно переходящих друг в друга.

  Молекула трегалозы состоит из двух остатков α-D-глюкопи-ранозы

Трегалоза встречается в грибках, в большом количестве в отжатых дрожжах, в спорынье н в манне одной из разновидностей мордовника (в трегаламаине). Кроме того, она была выделена из бацилл проказы. 

С ахароза (тростниковый сахар, свекловичный сахар) (b-D-фруктофуранозил-a-D-глюкопиранозид) состоит из остатков α,D-глюкопиранозы и β,D-фруктофуранозы, связи между остатками (1→2) и (2→1)-гликозидные.

! У не восстанавливающих дисахаридов связь между моносахаридами осуществляется за счёт обоих полуацетальных гидроксилов, они не могут таутомерно переходить в оксикарбонильную форму, следовательно, не обладают восстановительными свойствами и не могут давать реакции на альдегидную группу (не вступают в реакцию "серебряного зеркала", и не реагируют с раствором Фелинга).! Они проявляют свойства многоатомных спиртов (растворяют гидроксид меди, вступают в реакции алкилирования и ацилирования), как все сложные углеводы гидролизуются в присутствии минеральных кислот или под действием ферментов.

Дисахариды– сложные сахара, каждая молекула которых при гидролизе распадается на две молекулы моносахаридов. Дисахариды наряду с полисахаридами являются одними из основных источников углеводов в пище человека и животных.

33. Высшие полисахариды. Природные биополимеры. Амилоза и аминопектин: строение цепей. Гликоген. Целлюлоза, отличия от строения крахмала. Важнейшие производные целлюлозы, их применение. Роль углеводов в процессе жизнедеятельности. Декстраны. Аминосахара. Понятие о веществах крови.

Полисахариды (гомогликозиды) — это высокомолекулярные продукты конденсации более пяти моносахаридов и их производных, связанных друг с другом О-гликозидными связями, образующие линейные или разветвленные цепи. 

Полисахариды делятся на два типа:

1. гомополисахариды (гомополимеры)

   1. крахмал

   2. клетчатка

2. гетерополисахариды (гетерополимеры).

   1. инулин

   2. пектиновые вещества

   3. камеди

   4. слизи

Гомополисахариды построены из моносахаридных единиц (мономеров) одного типа, гетерополисахариды – из остатков различных моносахаридов и их производных. В медицинской практике из числа гомополисахаридов используют крахмал и клетчатку (целлюлозу); из числа гетерополисахаридов — инулин, пектиновые вещества, камеди и слизи.

Биополимеры — класс полимеров, встречающихся в природе в естественном виде, входящие в состав живых организмов: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды. Биополимеры состоят из одинаковых (или разных) звеньев — мономеров. Мономеры белков — аминокислоты, нуклеиновых кислот — нуклеотиды, в полисахаридах — моносахариды.

милоза - полисахарид, в котором остатки D-глюкопиранозы связаны α(1,4)-гликозидными связями, т. е. дисахаридным фрагментом амилозы является мальтоза.

Цепь амилозы неразветвленная, включает до тысячи глюкозных остатков, молекулярная масса до 160 тыс.

П о данным рентгеноструктурного анализа, макромолекула амилозы свернута в спираль. На каждый виток спирали приходится шесть моносахаридных звеньев. Во внутренний канал спирали могут входить соответствующие по размеру молекулы, например молекулы йода, образуя комплексы, называемые соединениями включения. Комплекс амилозы с йодом имеет синий цвет. Это используется в аналитических целях для открытия как крахмала, так и йода (йодкрахмальная проба).

Рис. 1. Спиралевидная структура амилозы (вид вдоль оси спирали)

Амилопектин в отличие от амилозы имеет разветвленное строение (рис. 2). Его молекулярная масса достигает 1-6 млн.

Рис. 2. Разветвленная макромолекула амилопектина (цветные кружки - места ответвления боковых цепей)

 

Амилопектин - разветвленный полисахарид, в цепях которого остатки D-глюкопиранозы связаны α(1,4)-гликозидными связями, а в точках разветвления - α(1,6)-связями. Между точками разветвления располагаются 20-25 глюкозных остатков.

Гидролиз крахмала в желудочно-кишечном тракте происходит под действием ферментов, расщепляющих α(1,4)- и α(1,6)-гликозидные связи. Конечными продуктами гидролиза являются глюкоза и мальтоза.

Г ликоген – резервный полисахарид. Содержится практически во всех тканях животных и человека. Одним из наиболее богатых источников гликогена являются печень и мышцы человека и млекопитающих, содержащие ~2 - 8% и ~2% этого полисахарида соответственно. Гликоген обнаружен также в мышцах беспозвоночных и в некоторых микроорганизмах (бактериях, грибах, дрожжах и др.). Во всех случаях гликоген выполняет функцию запасного высокомолекулярного углеводорода и участвует в качестве источника энергии в процессах обмена веществ.

Гликоген – гомополисахарид разветвленного строения (рис.1). Линейные главная и боковые цепи макромолекул гликогена построены из звеньев -D-глюкопиранозы, связанных-(14)-гликозидными связями(рис.1 а). Боковые цепи присоединены к основной макромолекулярной цепи-(16)-гликозидными связям

Ц еллюлоза является наиболее распространенным в природе полисахаридом, она составляет основную массу клеточных стенок растений. Молекула целлюлозы у разных растений содержит от 1400 до 10 000 остатков глюкозы, которые соединены между собой бета-1,4-гликозидными связями в линейные цепи.

О ба вещества имеют в своем составе звенья глюкозы, которые повторяются. Но отличие крахмала от целлюлозы состоит в том, как эти звенья ориентированы в пространстве. У крахмала составные компоненты развернуты в одном направлении. Это значит, что между ними действуют альфа-связи. Каждое звено в строении целлюлозы повернуто к соседнему, как в зеркальном отражении, то есть на 180 градусов. Так образуются бета-связи.

Основная функция углеводов  обеспечение энергией всех процессов в организме. Действительно, при окислении 1 грамма углеводов организм получает 4,1 ккал энергии. Клетки способны получать из углеводов энергию, как при их окислении кислородом, так и в анаэробных условиях (без доступа кислорода). Боль в мышцах после тяжелой работы  результат действия на клетки молочной кислоты, которая образуется при анаэробном распаде углеводов, когда для обеспечения работы мышечных клеток не хватает кислорода, поступающего с кровью.

Декстран(декстраны) – группа бактериальных полисахаридов, синтезируемых разными видами бактерий семейства стрептококковых Streptococcaceae, а также бесклеточными энзимами, выделенными из культур этих микроорганизмов. Наиболее изучены декстраны, продуцируемые видами бактерий Leuconostoc mesenteroides и Leuconostoc dextranicum.

Декстран – гомополисахарид разветвленного строения, макромолекулярная цепь которого построена из звеньев остатков -D-глюкопиранозы. Звенья линейной части молекулы соединены главным образом -(1→6)-гликозидными связями. Небольшое количество звеньев основной цепи может быть связано -(1→3)-гликозидными связями. В некоторых декстранах (встречающихся сравнительно редко) звенья остатков -D-глюкопиранозы линейной цепи соединены чередующимися -(1→6)- и -(1→3)-гликозидными связями.

А МИНОСАХАРА (синоним: гексозамины, аминодезоксисахара) — производные моносахаридов, гидроксильная группа которых (—ОН) замещена аминогруппой (—NH₂). Многие вещества, в состав которых входят аминосахара, обладают высокой биологической активностью (гепарин, гамма-глобулин, некоторые гормоны и так далее). В зависимости от положения аминогруппы при атомах углерода молекулы аминосахара различают 2-амино-, 3-амино-, 4-аминосахара и так далее. По числу аминогрупп различают моноаминосахара и диаминосахара.

Аминосахара называют также аминодезоксисахарами в связи с тем, что аминогруппа замещает соответствующее место группы гидроксила [например, D-глюкозамин (I) называют 2-амино-2-дезокси-D-глюкозой; D-галактозамин (II) называют 2-амино-2-дезокси-D-галактозой].

Аминосахара обладают всеми свойствами аминов (см.), обычных моносахаридов (см.), а также специфическими свойствами, обусловленными пространственной близостью гидроксильных, аминных и альдегидной групп. Аминосахара и их соли хорошо растворимы в воде.

Для аминосахара типичны реакции углеводов: ацилирование(см.), алкилирование (см.), окисление, восстановление, наращивание и укорачивание углеродной цепи и так далее. Как и моносахариды, аминосахара дают реакции, характерные для альдегидов (см.), и образуют производные по альдегидной группе (например, оксимы, гидразоны).

Препаративное получение аминосахара осуществляется путем кислотного гидролиза соответствующего высокомолекулярного вещества (хитина — для глюкозамина, хондроитинсерной кислоты — для галактозамина) и последующего выделения этих Сахаров в виде хлоргидратов.

Органические соединения крови:

1. Фибриноген

2. Альбумин

3. Мочевая кислота

4. Холестерин

5. Липиды

6. Креатинин